Truyền thông không dây trong hạ tầng mạng internet

Bức xạ điện từ có ở xung quanh chúng ta. Nó bao quanh chúng ta theo đúng nghĩa đen, dù là tự nhiên hay do hoạt động của con người tạo ra. Tất cả đều diễn ra nhờ sóng điện từ với các bước sóng khác nhau. Nhưng kể trọn câu chuyện thì cần nhiều chương của một loạt bài đọc dài kỳ, bắt đầu từ năm 1832 với Michael Faraday và kết thúc với điện tử nano, được dùng để liên lạc giữa các robot nano trong y học chẩn đoán.

Vì vậy, hãy quay lại mặt đất và xem xét thế giới viễn thông gần gũi nhất với chúng ta.

MẸO: Quý khách cũng có thể thích bài Wi-Fi rốt cuộc là gì? Các lựa chọn mạng không dây.  

Thử không dây xem, ông Marconi thân mến

Câu đùa kinh điển ấy chưa mô tả đủ bước tiến to lớn mà nhân loại đạt được nhờ việc truyền xung đơn giản từ các đài vô tuyến bên bờ đại dương, và khả năng liên lạc hai chiều giữa các con tàu trên biển. Thời đó người ta dùng tần số thấp và công suất cực lớn cấp cho hệ thống ăng-ten. Tầm xa là điều quan trọng. Việc liên lạc chậm hơn lời nói, nhưng có thể thu được ở bên kia hành tinh. Độ cong của Trái Đất không phải là vấn đề, vì sóng phản xạ từ các tầng của tầng bình lưu.

Theo thời gian, nhu cầu truyền nhiều dữ liệu hơn bắt đầu tăng. Như thường lệ, động lực của tiến bộ là quân đội. Truyền dung lượng cao hơn đòi hỏi tần số sóng mang cao hơn. Việc tạo ra sóng centimet bằng magnetron lại giúp phát hiện vật thể bằng sóng vô tuyến, và phát minh ra radar đã thay đổi hoàn toàn cán cân sức mạnh vào đầu Thế chiến thứ hai. Sau chiến tranh, nó giúp phát triển hàng không dân dụng. Còn trong viễn thông xuất hiện một điều mới căn bản đối với nhân loại: tuyến truyền dữ liệu vô tuyến. Nhờ ăng-ten định hướng, người ta có thể truyền thông tin về tình hình chiến đấu đi xa, quản lý hậu cần tiếp tế cho các đạo quân đang di chuyển và thay thế hạ tầng viễn thông bị hư hại ở các nước được giải phóng. Khi đó thế giới mới khám phá ra phép màu thực sự của truyền thông không dây.

Thời gian trôi qua và sự phát triển của truyền thông điện tử vượt xa khả năng của cáp kim loại chôn ngầm đắt đỏ, một phần lớn liên lạc dân dụng thông thường bắt đầu dựa vào các tuyến vô tuyến. Quý khách có nhớ những chảo ăng-ten parabol khổng lồ trên các trạm phát của České radiokomunikace không? Truyền hình Tiệp Khắc đã dùng những ăng-ten như vậy để phát sóng ngay từ đầu.

Các lựa chọn cho tuyến truyền dữ liệu đã tăng lên đáng kể

Dung lượng truyền đã tăng, nhu cầu về các tuyến vô tuyến đường dài gần như biến mất, và công suất phát của thiết bị loại này đã giảm xuống chỉ còn một phần nhỏ so với giá trị ban đầu của Marconi. Năm 1945, Quân đội Hoa Kỳ làm việc với hệ thống truyền tương tự mang được nhiều cuộc gọi điện thoại song song. Năm 1950, ở Bắc Mỹ bắt đầu thời kỳ sử dụng ồ ạt các tuyến vô tuyến trong mạng điện thoại, nhưng khối Xô viết cũng không tụt lại phía sau quá lâu. Ở Tiệp Khắc, TESLA sản xuất thiết bị chất lượng hàng đầu, được xuất khẩu không chỉ sang các nước COMECON mà đi khắp thế giới. Trong cuộc cạnh tranh với các công ty phương Tây, khối phương Đông chỉ bắt đầu tụt lại khi chuyển sang hệ thống truyền dẫn số.

Từ thập niên 1990 trở đi, truyền thông số trải qua sự tăng tốc đáng kinh ngạc. Quá trình chuyển từ sơ đồ điều chế tần số hai trạng thái sang điều chế 1024 trạng thái, với băng thông gấp nhiều lần, không mất đến 20 năm. Nhờ tiến bộ của công nghệ bán dẫn, việc tích hợp những khối lớn trước đây vào các vi mạch thu nhỏ và việc tận dụng sức mạnh tính toán khổng lồ của bộ xử lý tín hiệu, các tuyến vô tuyến ngày nay có thể dễ dàng truyền 10 Gbps mỗi giây.

Bản thân các tuyến vô tuyến thường được phân loại theo băng tần sử dụng và cách sử dụng. Cách phân loại cơ bản nhất là thiết bị kết nối hai điểm trong mạng. Với người dùng internet thông thường ở nhà, dễ hiểu hơn là liên lạc giữa một trạm gốc và nhiều thuê bao. Ví dụ điển hình của truyền vô tuyến điểm-đa điểm như vậy là việc điện thoại di động kết nối với trạm gốc. Hoặc bộ định tuyến Wi-Fi tại nhà. Nguyên lý của kiểu liên lạc đa điểm này chúng ta sẽ xem xét trong một bài viết khác.

Các tuyến điểm-điểm là chỗ dựa của mọi trạm gốc mạng di động và các điểm truy cập của nhà cung cấp internet. Để internet tốc độ cao hoạt động ổn định và cuộc gọi không bị rớt khi Quý khách di chuyển, cần có mật độ điểm truy cập cao. Một ngày nào đó, có lẽ sau vài chục năm, tất cả các điểm như vậy ở nông thôn sẽ được kết nối bằng mạng quang. Với nụ cười mỉa mai, tôi muốn viết dài về cái bẫy quan liêu khi xây bất cứ thứ gì ở đất nước này, nơi chúng ta không nói mà làm, nhưng như vậy sẽ làm Quý khách mất phần mô tả về các băng tần được sử dụng.

Truyền thông vô tuyến trong hạ tầng dùng tần số từ 4 GHz đến 80 GHz. Tần số của tuyến vô tuyến càng thấp thì tổn hao năng lượng bức xạ trong mưa và trong môi trường càng ít. Mặt khác, tần số càng cao thì độ lợi của ăng-ten càng tăng, vì tần số cao được ăng-ten parabol hướng hiệu quả hơn thành chùm năng lượng. Độ lợi của ăng-ten đường kính 60 cm là 29,5 dBi ở băng tần 6 GHz đang dùng, còn chảo cùng kích thước ở băng milimet 80 GHz có độ lợi 51 dBi. Con số như vậy không gây ấn tượng với người ngoài ngành, nhưng ai còn nhớ vật lý thời trung học đều thấy đó là sự cải thiện hàng nhiều bậc độ lớn.

Các băng tần thấp khá đông đúc, do tải trọng lịch sử, sự phát triển kỹ thuật và các định luật vật lý. Các cơ quan quản lý, như CEPT ở cấp châu Âu và Cục Viễn thông Séc (CTU) ở cấp quốc gia, đặt ra các quy tắc bắt buộc cho việc vận hành những mạng như vậy. Cơ quan quản lý phải bảo đảm hoạt động không bị nhiễu không chỉ cho mục đích viễn thông, mà cả cho radar quân sự và dân sự đã nhắc ở trên, hoạt động vệ tinh và điều khiển giao thông. Bất cứ thứ gì có khả năng phát sóng đều chịu sự quản lý, kể cả đồ chơi điều khiển từ xa hay chìa khóa điều khiển khóa trung tâm ô tô. Ở các băng tần cao hơn, mà chúng ta mới học cách sử dụng gần đây, còn rất nhiều chỗ trống. Có đủ không gian cho dung lượng truyền dữ liệu lớn mà các tuyến vô tuyến không gây nhiễu lẫn nhau. Khoảng cách giới hạn khi xây dựng tuyến như vậy cũng là một lợi thế. Chẳng hạn, ở băng 60 GHz năng lượng biến mất hoàn toàn sau vài trăm mét. Vì vậy các hoạt động vô tuyến không thể ảnh hưởng lẫn nhau. Trong các thử nghiệm vận hành kết nối giữa mạng Újezd.Net và công ty Eurosignal, chúng tôi đã đạt kết nối dung lượng 2,5 Gbps, với chất lượng tương đương cáp quang, trên khoảng cách khoảng 2 km. Chúng tôi đã dùng tuyến CERAGON IP20E cho băng tần 80 GHz.

Một cách phân loại khác, phi kỹ thuật, của các tuyến vô tuyến dựa trên loại giấy phép cần có để sử dụng các băng tần này. Cục Viễn thông Séc (CTU) cấp giấy phép sử dụng các băng tần. Một số băng có phí khá cao và phải được phối hợp cẩn thận với nhau, còn nhiễu lẫn nhau khi vận hành trong phổ tần phải được tính toán phức tạp. Đây là biện pháp hợp lý, nhất là khi Quý khách muốn nối các địa điểm xa nhau bằng sóng vô tuyến. Còn các tuyến ở những băng khác thì bắt buộc dùng công suất thấp và không phải trả phí phối hợp lẫn nhau. Như tôi đã nói, khi tần số tăng thì không cần lo nhiễu lẫn nhau, đồng thời nhà khai thác viễn thông có thể truyền dung lượng gấp nhiều lần. So sánh các tuyến chuyên nghiệp như vậy với đường truyền quang thì không hề kém. Các tuyến này hoạt động song công hoàn toàn và dùng hai cặp tần số để liên lạc, mỗi cặp cho một hướng truyền.

Quý khách có thể thấy sự phụ thuộc vào tần số sử dụng, dung lượng dùng để truyền dữ liệu và điều kiện cấp phép trong Bảng 1. Tôi không mô tả tất cả các băng tần.

Toàn ngành viễn thông đều dùng các tuyến vô tuyến. Ở cuối mỗi sợi cáp quang có lẽ đều có một thiết bị vô tuyến như vậy được kết nối, vận chuyển dữ liệu đến các khách hàng khác của mạng. Mọi người thường hỏi tôi về độ tin cậy của tuyến như vậy khi trời mưa hay sương mù. Tính toán một tuyến vô tuyến và độ tin cậy của nó ngày nay là việc mà bất kỳ sinh viên trường điện cũng làm được. Các nhà sản xuất cung cấp công cụ thiết kế tuyến, và theo tiêu chuẩn ITU-R P.530, thống kê lượng mưa tại khu vực triển khai tuyến cũng được tính đến. Các phép tính cho một thiết bị cụ thể sẽ xác định đáng tin cậy liệu kết nối có còn hoạt động ngay cả trong trận mưa như trút ngày tận thế hay không. Quý khách có nhớ lần cuối cùng gọi điện bằng di động dưới trời mưa không?

Quý khách có thích bài viết không? Quý khách sắp lắp đặt một kết nối mới? Mời xem bài Đang tìm kết nối internet phù hợp nhưng chưa rành về các gói cước? 

Tác giả: Jakub Moník

Cập nhật ngày 16 tháng 2 năm 2024